CN100458437C - 管道缺陷的超声导波时间反转检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种管道缺陷的超声导波时间反转检测装置及方法，属于无损检测领域。该方法根据与被检测管道相应的自由空心柱状结构群速度频散曲线选检测频率，将检测频率输入任意函数发生器(1)生成中心频率为所选检测频率的单音频信号，该信号同时被送至激励/接收装置(7)中的每一个通道，各通道将该信号分别送至与之相连的纵向导波传感器阵列(4)中的传感器单元，在管道中激励纵向轴对称导波模态L(0，2)。各传感器单元接收的反射信号又分别被送至计算机(6)按照时间反转的方法获得反转激励信号，该信号又通过传感器单元在管道中重新激励导波信号用于检测。本发明实现了导波检测在空间、时间上的聚焦，对小缺陷的检出能力有显著提高。

Description

管道缺陷的超声导波时间反转检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种管道缺陷的超声导波时间反转检测装置及方法，属于无损检测领域。

背景技术

管道作为生产系统、运输和制造设备的重要组成部分，在机械、石油、化工、食品和城市供水等行业发挥着不可替代的作用。然而，管道经长期服役，由于腐蚀、磨损、意外损伤等原因导致的管线泄漏时有发生，给国家和人民造成极大的损失。因此，大力发展管道检测技术迫在眉睫。

超声导波具有沿传播路径衰减小，传播距离远的特点，在检测信号中还可以包含从激励点到接收点间的整体信息，非常适合长距离管道，以及充水、带包覆层的管道缺陷检测。现有导波检测通常采用如图2所示检测装置，该装置包含一个由任意函数发生器、功率放大模块及转换开关模块构成的信号激励通道，该通道的输出端即转换开关模块可以与纵向传感器阵列中的某一个传感器单元相连，也可以同时与每个传感器单元相连。同时，转换开关模块还依次与示波器、计算机相连。

选用如图2所示的装置进行检测时，检测方法如下：

首先根据被检测管道的外径、壁厚、密度计算与被检测管道相应的自由空心柱状结构群速度频散曲线，并根据该曲线选取检测频率。然后将所选的检测频率输入任意函数发生器，，任意函数发生器生成单音频信号，该信号经功率放大模块放大后，再由转换开关模块同时传输至纵向导波传感器阵列中的一个或多个传感器单元，在管道中激励纵向轴对称导波模态。若有缺陷存在，则激励导波模态遇到管道中的缺陷后发生严重模态转换现象，并反射缺陷回波。由纵向导波传感器阵列中的传感器单元接收的、包含不同导波模态的端面回波和缺陷回波信号，依次经信号激励通道中的转换开关模块、示波器、送计算机6等待处理。在计算机6中，将各传感器单元接收的信号直接进行叠加，获得最终的检测波形。

由于该装置只有一个信号激励通道，这就决定了在同一时间只有相同的信号能被一个或多个传感器单元激励，这种激励方法极大地限制了导波检测方法的灵活性。

现有的导波检测方法通常采用激励近似单一模态的导波用于缺陷检测，但由于导波具有多模态特性，在缺陷处发生的模态转换现象也会将能量分散，使每一模态缺陷波包的幅值均比较小，造成对小缺陷识别的困难。若单纯通过增加激励信号的周期数来提高检测能量，则会由于频散现象使反射回波波包在时间上延展，而带来波形辨识的困难。目前尚未见相关文献对此问题提出较好的解决策略。

发明内容

本发明的目的在于克服现有导波检测技术中存在的不足，提出一种基于时间反转理论的管道缺陷超声导波无损检测方法。该检测方法利用时间反转在时间、空间上的集中特性，将检测能量聚焦于缺陷位置，提高小缺陷的检出能力。

本发明提出的超声导波时间反转检测方法，其基本原理在于：

根据惠更斯原理，导波缺陷检测时，一个缺陷的存在就像一个新的被动导波源，它在反射激励导波模态的同时，也会产生许多新的转换模态。如果将缺陷位置定义为(z_o，θ_o，r_o)，如图1所示，在管道(z_i，θ_i，r_i)处接收到的，由缺陷这个被动波源产生的波场可以描述为：

由于波在管道中传播满足互易定理，因此，它等效于同样的波源位于(z_i，θ_i，r_i)，检测点位于(z_o，θ_o，r_o)时接收的波场：

即：

$P_{(z_i,{\mathrm{\θ}}_i,r_i)}(z_o,{\mathrm{\θ}}_o,r_i,t)=P_{(z_o,{\mathrm{\θ}}_o,r_o)}(z_i,{\mathrm{\θ}}_i,r_i,t)---\left(1\right)$

对接收信号

在时间T内进行时间反转获得：

然后在(z_i，θ_i，r_i)处重新激励该反转信号，在(z_o，θ_o，r_o)处接收。接收到的波形描述为：

$a_i(z_o,{\mathrm{\θ}}_o,r_o,t)=P_{(z_i,{\mathrm{\θ}}_i,r_i)}(z_o,{\mathrm{\θ}}_o,r_o,t)*P_{(z_o,{\mathrm{\θ}}_o,r_o)}(z_i,{\mathrm{\θ}}_i,r_i,T-t)---\left(2\right)$

a_i(z_o，θ_o，r_o，t)在传播时间为T时达到峰值。即时间反转信号被重新激励后，能量将聚焦在缺陷位置。

本发明采用了如下的技术方案。本装置主要包括有纵向导波传感器阵列4、示波器5、计算机6、导波多通道激励/接收装置7。导波多通道激励/接收装置7包括有N个相同的通道，每个通道均包括有任意函数发生器1、功率放大模块2、转换开关模块3，任意函数发生器1通过功率放大模块2与转换开关模块3相连。计算机6分别与各通道的任意函数发生器1的输入端相连；各通道的输出端即转换开关模块3的传感器输入/输出端与纵向导波传感器阵列4中的各传感器单元一一对应连接，纵向导波传感器阵列4中的单元个数与通道个数N相同，各通道的转换开关模块3的输出与示波器5的某个通道依次相连，示波器5与计算机6连接。

各模块的功能如下：

导波多通道激励/接收装置7可为纵向传感器阵列4中的每个传感器单元输出相同的，或各自不同的激励信号。其中任意函数发生器模块1可根据输入的管道参数和选择的激励频率自动生成具有一定中心频率及周期的激励信号，也可输出来自计算机的预设激励信号，由高性能单片机和高速数/模转换芯片组成，也可由DSP芯片构成。功率放大模块2将任意函数发生器模块1所产生的波形进行信号放大，由前置放大器和集成功率放大器构成。转换开关模块3的功能则是在检测过程中，将经功率放大模块2放大的70V以上的高电压导波激励信号通过同轴电缆传至纵向传感器阵列4中的某个传感器单元，并将该单元所接收到的弱电压反射信号送给示波器5进行显示和保存。

纵向传感器阵列4是使管道中产生导波的元件，可以由压电换能器构成，也可以是电磁导波探头或单晶探头，检测时放置于管道外壁，通过耦合剂如凡士林等与管道接触，并且在发送时作为发送元件，在接收时作为接收元件使用。

示波器5与计算机6是信号接收、显示和处理模块。示波器5将接收到的信号进行显示、保存，并传输给计算机6；计算机6一方面依据时间反转的算法生成反转激励信号，并传输给函数发生器1，另一方面可对检测到的时域波形进行分析，根据缺陷反射回波的有无判断缺陷是否存在，并依据缺陷反射回波的时间进一步确定缺陷的位置。

本发明提出的超声导波时间反转检测方法，该种方法是按以下步骤进行的：

1)确定被检测管道的外径、壁厚、密度，计算与被检测管道相应的自由空心柱状结构群速度频散曲线，并根据群速度频散曲线在50～400kHz范围内任选一激励频率用于检测。

2)通过与导波多通道激励/接收装置7相连的，在管道的某处圆周均匀布置的纵向导波传感器阵列4，激励L(0，2)模态导波用于缺陷检测；其中，导波多通道激励/接收装置7中包含N个通道，且各通道与纵向导波传感器阵列4中的每个传感器单元一一对应连接。具体步骤为：

将所选激励频率输入多通道激励/接收装置7中各通道的任意函数发生器1，任意函数发生器1生成相同的中心频率为所选检测频率的5～20周期单音频信号。该信号同时被送至各通道的功率放大模块2放大后，再由转换开关模块3传输至与之相连的纵向导波传感器阵列4中的某一传感器单元，在管道中激励纵向轴对称导波模态L(0，2)。

3)若无缺陷，则无任何缺陷回波存在，检测就此结束。若有缺陷存在，则激励导波模态遇到管道中的缺陷后发生严重模态转换现象，并反射缺陷回波。因此，由纵向导波传感器阵列4中的各传感器单元接收的，包含不同导波模态的端面回波和缺陷回波信号，经导波多通道激励/接收装置7中对应通道的转换开关模块3传输至示波器5，并送计算机6等待处理。

4)按时间反转的方法，计算机6对导波多通道激励/接收装置7中各通道获得的检测信号分别进行信号处理，以获得反转激励信号。其中，获取反转激励信号的方法是按以下步骤进行信号处理的：

选取窗宽为T的矩形窗，对各通道获得的信号均采用同样窗宽的矩形窗进行截取，且截取的时间起点相同。

截取通道i接收的信号中，激励波包和第一次管道端面回波波包之间的缺陷回波波形P_i(t)。然后，对之进行时间反转得到波形P_i(T-t)，该波形将被输出为反转激励信号f_i(t)。其中i表示通道号，i＝1，2，......N，N为通道个数。

5)计算机6将获得的各通道的反转激励信号分别送至导波多通道激励/接收装置7中相应的通道，由与之相连的纵向导波传感器阵列4重新激励导波信号用于检测：信号f_i(t)送至通道i的任意函数发生器1后，经功率放大模块2放大，再通过转换开关模块3传输至与该通道相连的纵向导波传感器阵列4中的传感器单元i，由各传感器单元同时激励。

6)若有缺陷存在，则由纵向导波传感器单元i接收的缺陷检测信号a_i(t)，被送至多通道激励/接收装置7中对应通道中的转换开关模块3，然后传输至示波器5接收并显示，再由示波器5送至计算机6等待处理。

7)计算机6将N个通道分别接收的检测信号a_i(t)直接进行叠加，获得最终的检测波形：

$A_i\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\left(t\right)$

8)通过该检测波形读取其中的L(0，2)激励波包、缺陷回波波包及管道端面回波波包，由波峰所在位置确定缺陷回波与激励波包之间的时间间隔t，乘以由频散曲线获得的激励频率下L(0，2)模态波速v，即可得到缺陷距离纵向导波传感器阵列4的轴向距离为：l＝v*t/2，实现缺陷的轴向定位。

所述的导波多通道激励/接收装置7中包含N个通道，各通道由任意函数发生器1、功率放大模块2、转换开关模块3组成。所述的纵向导波传感器阵列4由N个沿管道圆周均匀分布的纵向导波传感器构成；通道个数与传感器个数相同，并且一一对应连接，个数越多检测效果越好，且N≥8。

所述信号截取的矩形窗T，窗宽T应小于等于激励波包与第一次端面回波波包之间的时间间隔，同时应确保该矩形窗能截取至少一个模态的缺陷回波波包，T越大检测效果越好。

本发明主要具有以下优点：(1)时间反转的方法实现了导波检测在时间上的聚焦，去除了导波模态的频散效应，提高了信号的可读性；(2)时间反转的方法实现了导波检测在空间上的聚焦，并将多个导波模态的能量同时聚焦在缺陷处，使检测能量增加，对小缺陷的检出能力有显著提高；(3)纵向传感器阵列中的每个传感器单元均与独立的激励/接收通道相连，使检测信号的激励具有很大的灵活性。

附图说明

图1参考坐标系示意图

图2现有检测装置原理图

图3本发明检测装置原理图

图中：1、任意函数发生器，2、功率放大模块，3、转换开关模块，4、纵向导波传感器阵列，5、示波器，6、计算机，7、导波多通道激励/接收装置；

图4检测方法流程示意图

图5空心圆柱体(外径70mm、壁厚3.5mm)群速度频散曲线

图6数值实验获得的不同情况时程曲线

(a)模拟传统导波检测方法，将圆周各传感器获得的轴向位移信号直接叠加得到的时程曲线(管道外径70mm、壁厚3.5mm，通透斜裂纹倾角45度、长35mm，宽2mm，激励频率140kHz)；

(b)模拟传统导波检测方法，将圆周各传感器获得的轴向位移信号直接叠加得到的时程曲线(管道外径70mm、壁厚3.5mm，通透圆周裂纹长5mm，宽1mm激励频率140kHz)；

(c)用0.6ms矩形窗获取的时间反转激励信号获得的检测信号时程曲线(管道外径70mm、壁厚3.5mm，通透斜裂纹倾角45度、长35mm，宽2mm，激励频率140kHz)；

(d)用0.6ms矩形窗获取的时间反转激励信号获得的检测信号时程曲线(管道外径70mm、壁厚3.5mm，通透圆周裂纹长5mm，宽1mm激励频率140kHz)；

(e)用0.06ms矩形窗获取的时间反转激励信号获得的检测信号时程曲线(管道外径70mm、壁厚3.5mm，通透斜裂纹倾角45度、长35mm，宽2mm，激励频率140kHz)；

图7获取时间反转信号示意图

(a)用窗宽为T的矩形窗对通道i获取的信号a’_i(t)进行缺陷回波信号的截取。

(b)各通道时间反转前的截取信号与时间反转后的反转激励信号示意图；

图8数值实验获得的不同缺陷检测信号的缺陷L(0，2)模态反射率(管道外径70mm、壁厚3.5mm，激励频率140kHz)，其中时反窗宽为0.6ms。

具体实施方式

下面结合图1～图8详细说明本实施例。

为实现该方法，本发明采用如图3所示检测装置。导波多通道激励/接收装置7包含N个相同的通道，每个通道均包含任意函数发生器1、功率放大模块2及转换开关模块3。计算机6通过网线与各通道中的任意函数发生器1的输入端相连，任意函数发生器1的输出端连接功率放大模块2的输入端，功率放大模块2的输出端与转换开关模块3的输入端连接，再由转换开关模块3的传感器输入/输出端与纵向导波传感器阵列4中的某个单元相连，其中纵向导波传感器阵列4中单元的个数与N相同；转换开关模块3的输出则连接至示波器5的某个通道，示波器5通过串口与计算机6的串口连接。

以下结合本发明的内容提供以下数值实验例：

实施例1：

如图3所示，本数值实验例中模拟的管道为长1.8m，外径70mm，壁厚3.5mm的钢管。密度为7932kg/m³，纵波波速为5960m/s，横波波速为3260m/s。

以检测距管道激励端720mm处的、长35mm、宽2mm、与管道轴向方向的夹角为45°的斜裂纹缺陷的检测过程为例，说明如下。

1)根据管道参数，计算群速度频散曲线，如图5所示。选取140kHz为激励频率，通过在离缺陷较近的管道端部48个节点上同时加载5个周期加汉宁窗的正弦轴向位移载荷，模拟48通道导波多通道激励/接收装置7，以及与之相连的纵向导波传感器阵列4中沿圆周均匀分布的各纵向导波传感器，实现L(0，2)模态的激励。在距离激励处3mm的圆周48个节点上模拟沿圆周均匀分布的导波传感器阵列4接收轴向位移信号a’_i(t)用于分析。

2)在计算机6内，将48个节点接收的各轴向位移信号a’_i(t)直接进行叠加，获得利用传统导波检测方法得到的原检测信号A’(t)，如图6(a)所示。

3)计算原检测信号A’(t)中激励波包与第一次端面回波波包之间的时间间隔约为0.6ms，选择T＝0.60ms的矩形窗从相同的时间起点开始截取48个节点接收的信号中的缺陷反射回波信号。如图7(a)所示，各截取信号f’_i(t)中包含了L(0，2)反射回波波包及大多数转换模态波包，其中i指信号获取于第i个节点。

4)如图7(b)所示，对各截取信号f’_i(t)按时间反转的方法进行反转，得到反转激励信号f_i(t)，f_i(t)＝f’_i(T-t)。

5)将获得的各反转激励信号f_i(t)重新在对应的节点i上再次同时激励，模拟时间时反导波检测；在距离激励处3mm的圆周48个节点上重新接收轴向位移信号a_i(t)用于分析。

6)将48个节点重新接收的各轴向位移信号a_i(t)直接进行叠加，获得最终的检测信号A(t)，如图6(c)所示。由检测信号L(0，2)激励波包波峰与缺陷波包波峰之间的时间间隔，乘以140kHz时L(0，2)模态群速度，再除以2即可获得缺陷距离激励端的距离。

7)取信号A’(t)中缺陷反射回波波包最大幅值除以激励波包最大幅值得到原检测信号的缺陷L(0，2)模态反射率；取信号A(t)中缺陷反射回波波包最大幅值除以激励波包最大幅值得到时间反转检测信号的缺陷L(0，2)模态反射率。

用以上方法对同样的管道中，距离管道激励端720mm处的，长35mm，宽2mm圆周裂纹缺陷、轴向裂纹缺陷；长5mm，宽1mm圆周裂纹缺陷分别进行检测，并计算相应的反射率，结果如图8所示。数值计算结果表明将时间反转方法应用于导波检测后，对小缺陷有明显优于传统导波检测方法的检测效果。

实施例2：

实施例2仍是对距离管道激励端720mm处、倾角为45度、长35mm、宽2mm的通透斜裂纹缺陷进行检测。其检测方法及步骤与实施例1完全相同，不同之处仅在于信号截取矩形窗的窗宽T不同，本实施例中的窗宽T保证矩形窗能截取至少一个模态的缺陷回波信息用于时间反转激励信号的产生，根据图6(a)选择T＝0.06ms。并且矩形窗从相同的时间起点0.27ms开始截取48个节点接收的信号中的缺陷反射回波信号。利用这样的时间反转激励信号获得最终的时反检测信号如图6(e)所示。

从实施例1和实施例2可以看出，时间反转方法能优化导波检测效果，且优化效果随着信号截取矩形窗宽的增大而增强。

Claims (5)

1、管道缺陷的超声导波时间反转检测装置，主要包括有纵向导波传感器阵列(4)、示波器(5)、计算机(6)，其特征在于：还包括有导波多通道激励/接收装置(7)，导波多通道激励/接收装置(7)包括有N个相同的通道，每个通道均包括有任意函数发生器(1)、功率放大模块(2)、转换开关模块(3)，任意函数发生器(1)通过功率放大模块(2)与转换开关模块(3)相连；计算机(6)分别与各通道的任意函数发生器(1)的输入端相连，各通道的输出端即转换开关模块(3)的传感器输入/输出端与纵向导波传感器阵列(4)中的各传感器单元一一对应连接，纵向导波传感器阵列(4)中的单元个数与通道个数N相同，各通道的转换开关模块(3)的输出与示波器(5)相连，示波器(5)与计算机(6)连接。

2、管道缺陷的超声导波时间反转检测方法，该方法是按以下步骤实现的：

1)确定被检测管道的外径、壁厚、密度，计算与被检测管道相应的自由空心柱状结构群速度频散曲线，并根据群速度频散曲线选一激励频率用于检测；

2)将所选检测频率输入导波多通道激励/接收装置(7)中的每一个通道的任意函数发生器(1)，任意函数发生器(1)生成同样的中心频率为所选检测频率的5～20周期单音频信号，该信号被同时送至各通道中的功率放大模块(2)放大后，再由转换开关模块(3)传输至与之相连的纵向导波传感器阵列(4)中的某一传感器单元，在管道中激励纵向轴对称导波模态L(0，2)；

3)若无缺陷，则无任何缺陷回波存在，检测就此结束；若有缺陷存在，则由纵向导波传感器阵列(4)中的各传感器单元接收包含不同导波模态的端面回波和缺陷回波信号，该信号经导波多通道激励/接收装置(7)中对应通道的转换开关模块(3)传输至示波器(5)，并送计算机(6)等待处理；

其特征在于，该方法还进行了以下的处理：

4)按时间反转的方法，计算机(6)对各通道获得的检测信号分别进行信号处理，以获得反转激励信号；其中，获取反转激励信号的方法是按以下步骤进行的：

选取窗宽为T的矩形窗，对各通道获得的信号均采用该窗宽的矩形窗进行信号截取，且截取的时间起点相同；

截取通道i接收的信号中的激励波包和第一次管道端面回波波包之间的缺陷回波波形P_i(t)，然后，对之进行时间反转得到波形P_i(T-t)，该波形将被输出为反转激励信号f_i(t)；其中i表示通道号，i＝1，2，......N，N为通道个数；

5)计算机(6)将获得的各通道的反转激励信号f_i(t)分别送至导波多通道激励/接收装置(7)中相应的通道，由与之相连的纵向导波传感器阵列(4)重新激励导波信号用于检测，即信号f_i(t)送至通道i的任意函数发生器(1)，再经功率放大模块(2)放大后，通过转换开关模块(3)传输至与该通道相连的纵向导波传感器阵列(4)中的传感器单元i，各传感器单元同时激励；

6)若有缺陷存在，则由纵向导波传感器单元i接收的缺陷检测信号a_i(t)，被送至多通道激励/接收装置(7)中对应通道中的转换开关模块(3)，然后传输至示波器(5)接收并显示，再由示波器(5)送至计算机(6)等待处理；其中：i＝1，2，......N，N为通道个数；

7)计算机(6)将N个通道分别接收的检测信号a_i(t)直接进行叠加，获得最终的检测波形： $A_i\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\left(t\right)$

8)通过该检测波形读取其中的L(0，2)激励波包、缺陷回波波包及管道端面回波波包，由波峰所在位置确定缺陷回波与激励波包之间的时间间隔t，乘以由频散曲线获得的在所选检测频率下L(0，2)模态波速v，即可得到缺陷距离纵向导波传感器阵列(4)的轴向距离为：l＝v*t/2。

3、根据权利要求1所述的管道缺陷的超声导波时间反转检测装置，其特征在于：所述的导波多通道激励/接收装置(7)中的通道个数N≥8。

4、根据权利要求1所述的管道缺陷的超声导波时间反转检测装置，其特征在于：所述的传感器为压电超声探头、电磁导波探头或单晶探头。

5、根据权利要求2所述的管道缺陷的超声导波时间反转检测方法，其特征在于：所述的矩形窗的窗宽T小于等于激励波包与第一次端面回波波包之间的时间间隔，同时应确保该矩形窗能截取至少一个模态的缺陷回波波包。

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